[发明专利]气体传感器及用于检测二氧化硫气体浓度变化的方法

说明书

本发明提供了一种气体传感器及用于检测二氧化硫气体浓度变化的方法。在气体传感器中，环形腔由第一耦合器、马赫曾徳干涉计、第二滤波器和第二耦合器构成，马赫曾徳干涉计由两个耦合器以及传感臂、参考臂构成。其中，传感臂由单模光纤、空芯光纤和环行器构成，空芯光纤的纤芯内充有待测的二氧化硫气体。二氧化硫吸收泵浦光后温度增加，导致马赫曾德干涉计传感臂的光程增大；二氧化硫的浓度越高，传感臂的光程变化越大。通过测量脉冲信号光的衰荡时间变化，能够得到二氧化硫气体浓度的变化。本发明将空芯光纤光热技术、马赫曾徳干涉技术与环形腔衰荡光谱技术相结合，提高了被测气体的探测灵敏度，降低了光源起伏对测量结果的影响。

技术领域

本发明涉及气体检测领域，尤其涉及一种气体传感器及用于检测二氧化硫气体浓度变化的方法。

背景技术

二氧化硫是配电设备中绝缘介质六氟化硫的主要分解物之一。通常采用空间光谱吸收法进行测量，为了提高灵敏度需要大体积气室，导致仪器体积庞大，难以实现在线检测。

发明内容

在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

鉴于此，本发明提供了一种气体传感器及用于检测二氧化硫气体浓度变化的方法，以至少解决现有二氧化硫检测技术存在仪器体积庞大、难以实现在线检测的问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种基于空芯光纤光热效应和光纤环形衰荡腔的气体传感器，其特征在于，气体传感器包括环形腔、第一激光器、偏振器、电光调制器、第一隔离器、第二激光器、EDFA、第二隔离器、第一滤波器和探测器；其中，环形腔由第一耦合器、马赫曾德干涉计、第二滤波器和第二耦合器构成；马赫曾德干涉计包括第三耦合器、第四耦合器、传感臂和参考臂，传感臂由单模光纤、空芯光纤和环行器构成，而参考臂由单模光纤构成；其中，空芯光纤的纤芯内充有二氧化硫气体；第三耦合器和第四耦合器的分光比均为50：50；第二激光器的输出波长与二氧化硫的吸收谱峰重合；第二激光器发出的泵浦光经EDFA、第二隔离器、第一滤波器和环形器后进入空芯光纤，并与空芯光纤内的二氧化硫相互作用；第一激光器的输出波长与二氧化硫的吸收谱最低处重合；第一激光器发出的信号光经偏振器和电光调制器后变为脉冲信号光；从电光调制器输出的脉冲信号光经第一隔离器后由第一耦合器的1％输入端进入环形腔，经马赫曾德干涉计和第二滤波器后进入第二耦合器，从第二耦合器输出的脉冲信号光分为两部分：一部分脉冲信号光经第二耦合器的99％输出端和第一耦合器的99％输入端后在环形腔内完成一次循环，而另一部分脉冲信号光经第二耦合器的1％输出端输出后由探测器接收；其中，在马赫曾德干涉计中，从第一耦合器出射的脉冲信号光经过第三耦合器后分别从从第三耦合器的第一50％输出端和第二50％输出端输出，其中，从第三耦合器的第一50％输出端输出的脉冲信号光依次通过传感臂中的空芯光纤和环行器后进入第四耦合器的第一50％输入端，而从第三耦合器的第二50％输出端输出的脉冲信号光通过参考臂后进入第四耦合器的第二50％输入端，第四耦合器的输出端输出的脉冲信号光进入第二滤波器。

进一步地，脉冲信号光的脉宽和周期以及环形腔的长度被设置成：使脉冲信号光在环形腔内循环一周所需的时间tr在脉冲信号光的脉宽的2-10倍范围内、且在脉冲信号光的周期的1/50-1/20范围内。

进一步地，在传感臂120-3中：空芯光纤的一个端面以密封方式连接一段单模光纤的端面，而空芯光纤的另一个端面以密封方式连接另一段单模光纤的端面，空芯光纤的侧面开有两个孔，两个孔分别设置在靠近空芯光纤两端的位置。

进一步地，第一激光器和泵浦激光器均为DFB激光器。